CAE碰撞安全前后處理自動(dòng)化平臺研究與應(yīng)用

王輝，湯小生，吳澤勛，閆高峰，包國建，郝慶全

（重慶睿藍(lán)汽車研究院有限公司，重慶 400707）

引言

近年來汽車行業(yè)競爭日益激烈[1]，汽車研發(fā)周期不斷被壓縮，CAE碰撞安全分析作為汽車研發(fā)前期重要環(huán)節(jié)，這就要求CAE碰撞安全分析效能需進(jìn)一步提升。在整個(gè)CAE碰撞安全分析過程中，前后處理工作占據(jù)工程師90 %及以上工作量，且存在大量重復(fù)低效、繁瑣易出錯(cuò)的工作，效能提升可從該項(xiàng)工作著手，通過開發(fā)自動(dòng)化平臺是提升該項(xiàng)工作效能的強(qiáng)有力方向之一。

目前關(guān)于CAE碰撞安全的程序自動(dòng)化平臺開發(fā)，行業(yè)中能查詢到的論文期刊等資料較少，有相關(guān)行人保護(hù)的程序開發(fā)[2]可供參考。本文針對CAE碰撞安全分析前后處理相關(guān)工作，對模型架構(gòu)、功能需求、程序平臺架構(gòu)做了深入研究。并基于Ansa&Meta商業(yè)軟件，通過Python開源編程語言開發(fā)的自動(dòng)化程序平臺，可有效提高工作效能，以此進(jìn)一步縮短汽車研發(fā)周期，提高汽車碰撞試驗(yàn)的可靠性，減少了碰撞試驗(yàn)次數(shù)和報(bào)廢樣車數(shù)量，利于保護(hù)環(huán)境。

1 模型架構(gòu)與需求

1.1 模型標(biāo)準(zhǔn)化

如圖1為模型標(biāo)準(zhǔn)化，模型文件由三級文件組成，主文件作為一級文件，整車文件、壁障文件和其他文件為二級文件，一級文件調(diào)用二級文件，每個(gè)二級文件又調(diào)用多個(gè)三級文件，各三級文件歸屬統(tǒng)一。各級文件命名統(tǒng)計(jì)、各級文件調(diào)用方式統(tǒng)一，均為INCLUDE調(diào)用方式。整車各子系統(tǒng)與Catia數(shù)據(jù)PSS分類編號保持一致，整車裝配通過BOX裝配代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性片裝配。該模型標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了模型文件的通用性，通過程序開發(fā)模型文件的替換、更新、調(diào)用將更為簡單便捷。

圖1 模型標(biāo)準(zhǔn)化

1.2 工作流程化

如圖2所示為前處理工作詳細(xì)流程，基于傳統(tǒng)的CAE碰撞安全分析前處理工作進(jìn)行了詳細(xì)的流程化梳理。主流程依次為數(shù)據(jù)接收、網(wǎng)格劃分、基礎(chǔ)連接、子系統(tǒng)建模、整車建模、工況搭建、模型輸出。各主流程項(xiàng)又包含各細(xì)分流程項(xiàng)，如基礎(chǔ)連接又細(xì)分為焊點(diǎn)連接、縫焊連接、膠粘連接、螺栓連接、鉸鏈連接及檢查試算修正，通過程序開發(fā)可實(shí)現(xiàn)各連接類型一鍵自動(dòng)連接，檢查試算修正更為簡單高效。

圖2 前處理工作詳細(xì)流程

如圖3所示為后處理工作詳細(xì)流程，基于傳統(tǒng)的CAE碰撞安全分析后處理工作進(jìn)行了詳細(xì)的流程化梳理。主流程依次為結(jié)果讀取、考察項(xiàng)讀取、結(jié)果輸出、報(bào)告撰寫、結(jié)論輸出，各主流程項(xiàng)又包含各細(xì)分流程項(xiàng)。通過程序開發(fā)可實(shí)現(xiàn)各流程及細(xì)分項(xiàng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

圖3 后處理工作詳細(xì)流程

1.3 模塊規(guī)劃

如圖4所示為模塊規(guī)劃，主要針對CAE碰撞安全分析前后處理工作中的痛點(diǎn)問題，程序開發(fā)相關(guān)模塊規(guī)劃包括前處理10大模塊，后處理3大模塊。

圖4 模塊規(guī)劃

2 程序平臺架構(gòu)

2.1 基礎(chǔ)程序

如圖5所示為基礎(chǔ)程序，前處理主要用到Ansa可調(diào)用模塊及python[3]；后處理主要用到Meta的Meta User Toolbars、Meta可調(diào)用模塊、Meta宏語言及python。每一個(gè)程序模塊均包含多項(xiàng)細(xì)分子模塊，開發(fā)具體功能時(shí)根據(jù)模塊需求進(jìn)行調(diào)用及程序代碼編寫。

圖5 基礎(chǔ)程序

2.2 打包集成

本文所開發(fā)的CAE碰撞安全前后處理自動(dòng)化平臺作為獨(dú)立的程序包，可實(shí)現(xiàn)一鍵安裝在任意位置。通過python編寫相對路徑變量，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶意愿安裝在任一路徑下；通過python編寫安裝程序，實(shí)現(xiàn)程序包一鍵自動(dòng)安裝。安裝程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)程序包與Ansa&Meta的關(guān)聯(lián)設(shè)置。打包集成主要通過python下的os、shutil、tkinter等模塊實(shí)現(xiàn)。

2.3 交互設(shè)計(jì)

本文所開發(fā)的CAE碰撞安全前后處理自動(dòng)化平臺是根據(jù)交互難易程度進(jìn)行不同交互設(shè)計(jì)的，包括無需交互、簡單交互、復(fù)雜交互三種情況。無需交互情況下程序一鍵完成具體功能。簡單交互情況下點(diǎn)擊程序按鍵進(jìn)行簡單交互操作然后點(diǎn)擊確認(rèn)即可完成具體功能。對于復(fù)雜交互情況下，程序需設(shè)計(jì)詳細(xì)的交互界面，交互時(shí)用戶點(diǎn)擊交互界面的交換按鍵進(jìn)行交互。此外交互按鍵及功能程序按鍵均提供快捷文字提示，鼠標(biāo)放置在按鍵區(qū)域即會顯示關(guān)于該鍵的功能、操作步驟及注意事項(xiàng)的文字提示。通過ansa軟件session模塊defbutton函數(shù)tip變量、guitk模塊BCAddToolTip函數(shù)tip變量設(shè)置可實(shí)現(xiàn)該快捷文字提示。

2.4 界面設(shè)計(jì)

如圖6所示為前后處理復(fù)雜交互情況下的界面設(shè)計(jì)，包括前處理和后處理。界面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一些基本原則，使得所設(shè)計(jì)的界面使用時(shí)簡單高效不易出錯(cuò)[4]。前處理界面提示區(qū)域主要通過圖片達(dá)到具體功能、操作步驟及注意事項(xiàng)等相關(guān)提示說明作用，且可儲存多張圖片，通過點(diǎn)擊圖片自動(dòng)切換下一張；輸入?yún)^(qū)域主要功能為初始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入；交互區(qū)域主要實(shí)現(xiàn)交互數(shù)據(jù)儲存顯示等功能；執(zhí)行區(qū)域主要實(shí)現(xiàn)具體的功能。后處理界面結(jié)果讀取區(qū)域?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)結(jié)果讀??；ID輸入?yún)^(qū)域?qū)崿F(xiàn)用于考察項(xiàng)讀取的零部件、單元、節(jié)點(diǎn)ID變量輸入；ID查修區(qū)域可實(shí)現(xiàn)ID變量的查看、修正及保存；統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出區(qū)域?qū)崿F(xiàn)考察項(xiàng)結(jié)果讀取、特征值獲取、填寫保存及輸出。前處理界面設(shè)計(jì)主要通過Ansa可調(diào)用模塊的Guitk子模塊進(jìn)行開發(fā)，后處理界面設(shè)計(jì)主要通過Meta User Toolbars模塊進(jìn)行開發(fā)。

圖6 前后處理復(fù)雜交互界面設(shè)計(jì)

2.5 開發(fā)架構(gòu)

如圖7所示為開發(fā)者架構(gòu)邏輯，打包程序開發(fā)主要實(shí)現(xiàn)程序集成和用戶的程序包安裝。具體功能程序開發(fā)首先需要進(jìn)行痛點(diǎn)問題收集實(shí)現(xiàn)功能需求收集，完成具體功能程序的開發(fā)后，需將程序集成，集成需根據(jù)程序模塊規(guī)劃進(jìn)行集成，程序模塊根據(jù)虛擬安全分析流程劃分。

圖7 開發(fā)者架構(gòu)邏輯

如圖8所示為前處理復(fù)雜交互數(shù)據(jù)儲存調(diào)用原理，點(diǎn)擊功能按鍵即出現(xiàn)該功能界面，界面的交互區(qū)域由多個(gè)交互按鍵及確認(rèn)鍵組成。初始狀態(tài)，數(shù)據(jù)庫已儲存初始數(shù)據(jù)，打開功能按鍵時(shí)界面顯示內(nèi)容就會調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行初始顯示。當(dāng)進(jìn)行交互確認(rèn)后，程序會將新的交互所得數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫，同時(shí)更新交互顯示區(qū)域內(nèi)容，當(dāng)點(diǎn)擊執(zhí)行鍵后，程序會調(diào)用數(shù)據(jù)庫最新儲存數(shù)據(jù)進(jìn)行具體功能的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)關(guān)閉該功能界面再次打開該功能界面時(shí)，交互顯示區(qū)域顯示內(nèi)容仍為數(shù)據(jù)庫最新儲存數(shù)據(jù)。

圖8 前處理復(fù)雜交互數(shù)據(jù)儲存調(diào)用原理

此外，后處理復(fù)雜交互情況下ID變量作為重要變量被調(diào)用。一般情況下模型標(biāo)準(zhǔn)化已規(guī)定了固定的傳感器ID，該ID作為后處理考察項(xiàng)讀取的依據(jù)，該ID在后處理程序中設(shè)置為默認(rèn)的初始ID變量。一般情況下直接輸入默認(rèn)ID即可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出。特殊情況下，考察項(xiàng)對應(yīng)的ID需要更改時(shí)，用戶需要在ID查修區(qū)域通過交互在統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出。當(dāng)該更改過的ID后續(xù)可能被用到時(shí)，那用戶最好在ID查修區(qū)域進(jìn)行ID保存操作，下一次只需在ID輸入?yún)^(qū)域輸入保存的ID即可進(jìn)行后續(xù)工作。

3 程序平臺案例

根據(jù)以上提及的程序平臺架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法，無需交互或簡單交互情況下，可開發(fā)的功能包括自動(dòng)化精細(xì)螺栓連接、自動(dòng)化焊點(diǎn)熱影響區(qū)失效模擬、自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)傳感器開發(fā)等等，可提高工作效能的同時(shí)，也可有效的提高整車CAE碰撞模型的精度，從而保障結(jié)果的準(zhǔn)確性。

如圖9所示前后處理復(fù)雜交互界面案例，前處理以國標(biāo)正碰為案例，用戶在提示區(qū)域點(diǎn)擊圖片可獲得該工況的幫助信息，輸入?yún)^(qū)域?qū)氤跏寄Ｐ?，交互區(qū)域完成該工況需要的參數(shù)，最后通過執(zhí)行區(qū)域即可在指定目錄下自動(dòng)生成該工況的計(jì)算模型。后處理以國標(biāo)側(cè)碰為案例，依次通過各區(qū)域操作即可在結(jié)果路徑下自動(dòng)生成考察項(xiàng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)信息?；谠撁姘暹M(jìn)行相關(guān)工作，交互極具友好和高效。

圖9 前后處理復(fù)雜交互界面案例

如圖10所示為CAE碰撞安全前后處理程序平臺，用戶通過Ansa軟件的UserScriptButtons按鍵即可打開前處理輔助建模界面。后處理實(shí)現(xiàn)，用戶通過Meta軟件的User Toolbars按鍵即可打開后處理界面，包括輔助顯示、輔助讀取及工況快捷讀取三大模塊界面?；谠撊竽K，可實(shí)現(xiàn)開發(fā)的功能基本涵蓋所有CAE碰撞安全前后處理工作。

圖10 CAE碰撞安全前后處理程序平臺

4 應(yīng)用與小結(jié)

通過項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，本文所開發(fā)的CAE碰撞安全自動(dòng)化平臺有效解決了前后處理工作的重要痛點(diǎn)問題，有效縮短了分析周期，綜合效率提升20 %以上。同時(shí)，有效的提高了整車CAE碰撞模型的精度，保障了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以下綜述本文主要結(jié)論：

1）本文所提及模型標(biāo)準(zhǔn)化、工作流程化、模塊規(guī)劃、基礎(chǔ)程序、打包集成、交互設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、程序邏輯架構(gòu)和程序平臺案例可供汽車及相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員參考。

2）本文基于Ansa&Meta商業(yè)軟件，通過Python開源編程語言實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程序平臺的開發(fā)，其中友好高效的界面交互和程序設(shè)計(jì)理念，具有較高的借鑒意義。

3）本文所開發(fā)的自動(dòng)化程序平臺有效的提高了整車CAE碰撞模型的精度，保障了CAE碰撞安全分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高了汽車碰撞試驗(yàn)的可靠性，減少了碰撞試驗(yàn)次數(shù)和報(bào)廢樣車數(shù)量，利于保護(hù)環(huán)境。